DE19733533A1 - Überwachungsschaltung für die Steuerung eines Elektromotors, insbesondere Wäschetrommelmotors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Überwachungsschaltung für die Steuerung eines Elek­ tromotors, insbesondere Wäschetrommelmotors nach dem Oberbegriff des Patent­ anspruches 1.

Eine Steuerschaltung eines Universalmotors mit einem elektronischen Schaltele­ ment zur Phasenanschnittsteuerung offenbart die EP 0 165 864 B1. Als elektroni­ sches Schaltelement ist ein Triac vorgesehen, über den die Drehzahl des Motors gesteuert wird. Bei solchen Steuerschaltungen ist ein Kurzschluß des Triacs nicht ausgeschlossen.

Der Stand der Technik zeigt spezielle Lösungen für den Fall, daß ein mit einem Triac gesteuerter Universalmotor einer Wäschetrommel infolge eines Defekts des Triacs (Triackurzschluß) seine Drehzahl stark erhöht. Eine solche Drehzahlerhö­ hung kann gefährliche Zustände zur Folge haben. Beispielsweise kann heißes Was­ ser aus der Waschmittel-Einspülschale herausgepreßt werden. Durch hohe Un­ wucht der sich bei hoher Drehzahl an die Wäschetrommel anlegenden nassen Wä­ sche kann die Waschmaschine springen, was beim Einbau in eine Möbelzeile diese zerstören oder Personen gefährden kann. Diese Zustände sind insbesondere dann gefährlich, wenn sie eine längere Zeit andauern oder sich immer wieder wiederho­ len.

Bei der Steuerung eines Wäschetrommelmotors kann es auch dazu kommen, daß die Steuerelektronik, insbesondere der Mikrocomputer, von dem Drehzahlüberwa­ chungsglied kein Drehzahlsignal erhält, obwohl das elektronische Schaltelement angesteuert ist. Ein solcher Fehler, allgemein als Tachobruchfehler bekannt, kann entweder erscheinen, weil der Übertemperaturschutzschalter geöffnet hat oder weil ein tatsächlicher Fehler in der Drehzahlüberwachungsschaltung vorliegt. Ein tat­ sächlicher Defekt in der Drehzahlüberwachungsschaltung ist kritisch, da durch un­ kontrollierte Motordrehzahl wieder die gefährlichen Betriebszustände wie im Falle eines Triac-Kurzschlusses auftreten können.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Überwachungsschaltung der eingangs genannten Art vorzuschlagen, mit der auf technisch einfache Weise eine unterscheidbare Überwachung auf Ansprechen des Übertemperaturschalters und tatsächlichen Feh­ ler der Drehzahlüberwachungsschaltung zu erreichen ist und Fehlerzustände, insbe­ sondere Kurzschluß des elektronischen Schaltelements und/oder der Drehzahl­ überwachung feststellbar und, bevor sie sich schädlich auswirken, auswertbar sind.

Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruches gelöst.

Entgegen dem Stand der Technik, einen Strommeßwiderstand mit nachfolgender Auswerteschaltung im Motorstromkreis vorzusehen, was technisch aufwendig ist, wird durch die Erfindung ein neuer und technisch optimaler Weg vorgeschlagen. Durch den zwischen den Polen der Versorgungsspannung in Reihe zum elektroni­ schen Schaltelement liegenden Parallelwiderstand zur Reihenschaltung des Motors und des Schalters sowie einer Auswerteschaltung ist erreicht, daß am Überwa­ chungseingang des Mikrocomputers bzw. Mikrocontrollers charakteristische Span­ nungen auftreten, je nachdem, ob ein ungestörter Betrieb oder ein Fehler, insbe­ sondere Triackurzschluß und/oder Defekt der Drehzahlerfassung vorliegt. Die je­ weiligen Spannungszustände werden vom Mikrocomputer zur Fehlererkennung ausgewertet, wie sich dies aus der folgenden Beschreibung und den Unteransprü­ chen ergibt.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 das Blockschaltbild einer Motorsteuerung mit Auswerteschaltung und Unterbrecherschalter,

Fig. 2 die Motorsteuerung mit Auswerteschaltung und Motorschutzschalter,

Fig. 3 eine Kombination der Schaltungen nach den Fig. 1 und 2,

Fig. 4 das Blockschaltbild einer Motorsteuerung mit digitaler Auswerteschal­ tung,

Fig. 5 und 6 Spannungsverläufe zu der Schaltung nach Fig. 2 bzw. Fig. 3,

Fig. 7 Spannungsverläufe zu den Fig. 1 bis 3.

In den Fig. 1 bis 4 bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile.

Ein Motor 1, der beispielsweise ein Universalmotor mit Feldwicklung und Anker­ wicklung ist, dient dem Antrieb einer Wäschetrommel einer Waschmaschine oder eines Wäschetrockners. Die Drehzahl des Motors 1 ist mittels eines elektronischen Schaltelements, insbesondere Triac 2, oder eines gleichwirkenden elektronischen Schaltelements, steuerbar. Ein Schalter 3 dient dem Ein- und Ausschalten des Motors 1. Die Reihenschaltung des Motors 1, des Triacs 2 und des Schalters 3 liegt am Wechselstromnetz L, N.

Ein Mikrocomputer 4 bzw. Mikrocontroller ist zur Regelung des Motors 1 vorge­ sehen. Seine Eingänge und Ausgänge sind nur insoweit dargestellt, als sie für die Ausführungsbeispiele von Interesse sind.

Der Mikrocomputer 4 weist einen Ausgang 5 auf, mit dem er den Triac 2 steuert. Außerdem schaltet er über einen Ausgang 6 den Schalter 3, beispielsweise mittels eines Relais.

Mit dem Motor 1 ist zur Drehzahlüberwachung ein Tacho 7 verbunden, der elek­ tromechanisch oder elektronisch, beispielsweise Hallgenerator, aufgebaut sein kann und der über eine Anpassungsschaltung 8 Ist-Drehzahlsignale an einen Eingang 9 des Mikrocomputers 4 legt.

Parallel zur Reihenschaltung des Motors 1 und des Schalters 3 liegt ein Parallelwi­ derstand 10, der am Wechselstromnetz L, N in Reihe zum Triac 2 geschaltet ist. Der den Parallelwiderstand 10 und den Triac 2 verbindende Pol 11 ist über einen Strombegrenzerwiderstand 12 an den Analogeingang 13 des Mikrocomputers 4 gelegt. An diesem liegt auch der Abgriff eines Spannungsteilers aus Widerständen 14, 15. An den Widerstand 14 ist eine erste Referenzspannungsquelle 22 gelegt. An den Widerstand 15 ist eine zweite Referenzspannungsquelle 21 gelegt. Beide Referenzspannungen unterscheiden sich in ihrer Spannungshöhe. Die Referenz­ spannungsquelle 22 ist auch an einen Eingang 16 des Mikrocomputers 4 gelegt. Die Referenzspannungsquelle 21 liegt auch an einem Eingang 17 des Mikrocompu­ ters 4. Beide Referenzspannungsquellen 21, 22 sind mit dem Pol N des Wechsel­ stromnetzes verbunden. Die Elemente 12, 14, 15, 21 und 22 bilden insgesamt eine analoge Auswerteschaltung 23.

Der Widerstand 10 ist wesentlich hochohmiger als der ohmsche Widerstand des Motors 1. Der Widerstandswert des Widerstandes 12 ist etwa gleich dem des Wi­ derstandes 10. Die Widerstände 14, 15 sind beispielsweise um den Faktor 100 nie­ derohmiger als der Widerstandswert des Widerstandes 10 bzw. 12. Der Wert der Referenzspannungsquelle 21 beträgt etwa 0,5 V. Die Referenzspannungsquelle 22 hat beispielsweise einen Wert von 4,5 V. Insgesamt lassen sich damit die in den weiter unten näher beschriebenen Fällen nach Fig. 7b gezeigten Spannungsverläu­ fe erreichen.

Die Schaltung nach Fig. 1 ist für den Fall einer Erkennung eines Kurzschlusses des elektronischen Schaltelementes 2 (Triac-Kurzschlußerkennung) vorgesehen. Die Funktion der Schaltung nach Fig. 1 ist folgende:

Der Schalter 3 ist vom Mikrocomputer 4 geöffnet, wenn der Triac 2 nicht ange­ steuert ist. Zur Inbetriebnahme des Motors 1 wird der Schalter 3 geschlossen und der Triac 2 vom Mikrocomputer 4 entsprechend der gewünschten Drehzahl ange­ steuert.

Bei nicht defektem und nicht angesteuertem Triac 2 und offenem Schalter 3 fällt infolge des über die Auswerteschaltung 23 fließenden Stromes am Triac 2 die Spannung UT2 ab (Fig. 7a), die bei der obigen Widerstandsdimensionierung etwa der halben Netzspannung UN entspricht. Bei nicht defektem Triac 2 und geschlos­ senem Schalter 3 liegt am Triac 2 die Spannung UT1 an, wenn der Triac 2 nicht angesteuert, also gesperrt ist. Die Spannung UT1 ist nur wenig kleiner als die Netzwechselspannung UN (vgl. Fig. 7a), da der Widerstand 12 sehr hochohmig ist im Verhältnis zum Motorinnenwiderstand. Bei nicht defektem Triac 2 und ge­ schlossenem Schalter 3 liegt am Triac 2 die Nullspannung UT0 des Pols N des Wechselstromnetzes an, wenn der Triac 2 angesteuert, d. h. leitend ist.

Bei defektem, d. h. kurzgeschlossenem Triac 2 liegt am Pol 11 unabhängig vom Zustand des Schalters 3 immer die Spannung UT0 an, und zwar im Unterschied zu oben auch dann, wenn der Triac 2 nicht angesteuert wird. Den genannten Span­ nungen UT1, UT0 und UT2 (vgl. Fig. 7a) entsprechende Analogspannungen UA1, UA0, UA2 ergeben sich am Überwachungseingang 13 des Mikrocomputers 4 (vgl. Fig. 7b).

Da sich die bei offenem Schalter 3 und nicht angesteuertem Triac 2 am Überwa­ chungseingang 13 auftretende Spannung UA2 (nicht defekter Triac 2) von der Spannung UA0 (defekter Triac) deutlich unterscheidet, kann der Mikrocomputer 4 dies auswerten und gegebenenfalls das Schließen des Schalters 3 verhindern. Es ist damit erreicht, daß schon vor dem Schließen des Schalters 3 ein etwaiger Triackurzschluß erkannt wird und der Schalter 3 nicht geschlossen wird, also der Motor 1 nicht anläuft, so daß Schäden, die durch ein nicht mehr steuerbares Hochlaufen des Motors 1 entstehen könnten, vermieden sind.

Zur Fehlerbestätigung kann die Messung mehrfach durchgeführt werden, wobei erst dann, wenn die Messung mehrmals zum gleichen Ergebnis führt, der Schalter 3 nicht mehr geschlossen wird.

Die Auswertung der Spannung am Überwachungseingang 13 erfolgt vorzugsweise während der Extrema der Netzspannung. Die Messung kann jedoch auch bei ande­ ren Phasenwinkeln als den Extrema der Netzwechselspannung erfolgen. Es kann dann aus verschiedenen Meßergebnissen eine Maximalwertbildung vorgenommen werden. Dies kann sinnvoll sein, wenn mit einer Phasenverschiebung der Meßspan­ nung gegenüber der Netzwechselspannung zu rechnen ist.

Die oben beschriebene Auswertung bietet Sicherheit gegen Einschalten des Motors bei bestehendem Triackurzschluß.

In der Regel wird ein Triackurzschluß erstmalig auftreten, wenn der Motor 1 läuft, also der Schalter 3 geschlossen ist. Dieser Fall läßt sich nach dem Stand der Tech­ nik durch Auswertung des am Eingang 9 anstehenden Drehzahlsignals beherrschen.

Tritt bei laufendem Motor 1 ein Triackurzschluß auf, dann wird die Drehzahl we­ sentlich höher als eine Solldrehzahl, was der Mikrocomputer 4 erkennt. Eine solche Drehzahlerhöhung kann zum sofortigen Öffnen des Schalters 3 ausgenutzt werden, wodurch der Motor 1 zum Stillstand kommt und nicht mehr anlaufen kann. Das Abschalten des Motors 1 erfolgt dabei zwar schnell, jedoch auch, wenn die Dreh­ zahlerhöhung auf einem anderen - unschädlichen - Grunde beruhte oder falsch ge­ messen wurde. Gemäß dem Stand der Technik wählt man vorzugsweise eine lang­ samere Reaktionszeit, die eine möglichst sichere Fehlererkennung gewährleisten soll.

Um eine solche Fehlreaktion bei fast sofortiger Reaktion = kürzere Ansprechzeit auszuschließen, wird erfindungsgemäß bei einer Drehzahlerhöhung die Ansteue­ rung des Triacs 2, bei geschlossenem Schalter 3, für kurze Zeit, beispielsweise eine Vollwelle der Netzwechselspannung, unterbrochen und in dieser Zeit wird die am Triac 2 abfallende Spannung gemessen. Ist sie UT1 (vgl. Fig. 7a), d. h. am Über­ wachungseingang 13 liegt die Spannung UA1 (vgl. Fig. 7b) an, dann ist ein Triackurzschluß nicht gegeben und der Motor 1 kann weiterbetrieben werden. Ist die am Triac 2 abfallende Spannung dagegen UT0, d. h. die Spannung am Überwa­ chungseingang 13 UA0, dann liegt ein Triackurzschluß vor und der Schalter 3 wird geöffnet, so daß der Motor 1 abschaltet.

Eine andere oder weitere Möglichkeit besteht darin, daß der Mikrocomputer 4 die Drehzahlauswertung vornimmt, solange er den Triac 2 nicht ansteuert und der Schalter 3 geschlossen ist, wenn also der Motor 1 still steht oder zumindest nicht mit hoher Drehzahl dreht. Wird eine nicht nur sehr kleine Drehzahl, gegebenenfalls zur Fehlerbestätigung mehrmals nacheinander, gemessen, dann ist dies ein Zeichen für einen Triackurzschluß und der Schalter 3 wird geöffnet.

Die Schaltung nach Fig. 2 gleicht weitgehend der Schaltung nach Fig. 1. Es ist jedoch der Schalter 3 nicht dargestellt. Zusätzlich zu Fig. 1 ist in Fig. 2 ein Übertemperaturschalter 18 gezeigt der in den Motor 1 integriert ist und auf dessen Temperatur anspricht. Der Übertemperaturschalter 18 ist beispielsweise ein Klixon-Schalter, der sich bei einer Übertemperatur des Motors 1 öffnet und wieder schließt, wenn die Motortemperatur wieder abgesunken ist.

Die Schaltung nach Fig. 2 dient dem Fall, daß ein Tachobruchfehler, also ein De­ fekt erfaßt werden soll, bei dem infolge einer Störung des Tachos 7 oder der An­ passungsschaltung 8 trotz angesteuertem Triac 2 kein Drehzahlsignal an dem Ein­ gang 9 auftritt, wobei dieser Fehlerfall von dem Zustand unterschieden werden soll, bei dem der Übertemperaturschalter 18 geöffnet ist, also trotz angesteuertem Triac 2 ebenfalls kein Drehzahlsignal am Eingang 9 auftritt. Eine solche Unterscheidung ist vorteilhaft, da das Nichtauftreten eines Drehzahlsignals infolge eines Öffnens des Übertemperaturschalters reversibel ist und keinen Kundendienstfall darstellt, wogegen das Nichtauftreten des Drehzahlsignals infolge eines Tachobruchfehlers einen Kundendienstfall darstellt.

Die Funktionsweise der Schaltung nach Fig. 2 ist etwa folgende:

Der Mikrocomputer 4 mißt, wenn an seinem Eingang 9 kein Drehzahlsignal, d. h. Drehzahlsignal 0, auftritt, im Anschluß an einen von ihm erzeugten Zündimpuls I (vgl. Fig. 5, Fig. 6) für den Triac 2 die am Triac 2 abfallende Spannung (UT3 oder UT4) an seinem Überwachungseingang 13 als Spannung UA3 oder UA4 (vgl. Fig. 5, 6). Ist der Übertemperaturschalter 18 geöffnet, dann tritt der Span­ nungsverlauf UT4 bzw. UA4 (vgl. Fig. 6) auf, da über den Parallelwiderstand 10 kein für das Durchschalten bzw. Einrasten des Triacs ausreichender Haltestrom fließt (vgl. Fig. 6). Dieser Spannungsverlauf ist von der Spannung UA0 (vgl. Fig. 7b) deutlich unterschiedlich, was der Mikrocomputer 4 erkennt. Nachmessun­ gen werden durchgeführt, bis der Übertemperaturschalter 18 nach Absinken der Motortemperatur wieder schließt, wonach der reguläre Betrieb fortgesetzt wird.

Liegt dagegen bei geschlossenem Übertemperaturschalter 18 ein Tachobruchfehler im Tacho 7 oder der Anpassungsschaltung 8 derart vor, daß kein Drehzahlsignal am Eingang 9 auftritt, dann fließt nach dem Zündimpuls I ein für das Einrasten des Triacs 2 ausreichender Haltestrom, so daß am Triac 2 der Spannungsverlauf UT3 und somit am Überwachungseingang 13 die Spannung UA3 entsteht, die der Span­ nung UA0 der Fig. 7b entspricht. Der Mikrocomputer 4 schaltet daraufhin den Motor 1 ab, indem er den Triac 2 nicht weiter ansteuert oder den gegebenenfalls vorgesehenen Schalter 3 öffnet.

Alternativ hierzu kann im Falle der Ausführungsbeispiele nach den Fig. 2 und 3, bei denen der Überwachungseingang 13 ein Analogeingang ist, folgende die Mes­ sung vereinfachende Funktionsweise vorgesehen sein:

Bei geöffnetem Übertemperaturschalter 18, eventuell geschlossener Schalter 3 (Fig. 1, 3) und nicht angesteuertem Triac 2 wird bei der oben genannten Di­ mensionierung der Widerstände 10, 12, 14, 15 am Überwachungseingang 13 die Spannung UA2 (vgl. Fig. 7b) auftreten. Wenn dies der Fall ist, führt der Mikro­ computer 4 Wiederholungsmessungen durch, bis der Übertemperaturschalter 18 nach Abkühlung wieder schließt, wonach dann wieder die Spannung UA1 entsteht und gemessen wird.

Bei Unterbrechung (Defekt) im Tacho 7 oder dessen Anpassungsschaltung 8, ge­ gebenenfalls geschlossenem Schalter 3 und nicht angesteuertem Triac 2, tritt nun die Spannung UT1 bzw. die Spannung UA1 (vgl. Fig. 7a, 7b) auf, wobei in diesem Fall, der ein Kundendienstfall ist, der Motor 1 abgeschaltet wird.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 sind die Schaltungen und Funktionen der Ausführungsbeispiele nach Fig. 1 und Fig. 2 vereinigt, so daß sowohl eine Überwachung auf Triackurzschluß als auch eine Überwachung auf Tachodefekt in Unterscheidung zum geöffnetem Übertemperaturschalter 18 möglich ist. Zur Funktionsweise wird auf obige Ausführung verwiesen.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 betrifft einen Einsatzfall, bei dem der Mikro­ computer 4 als Überwachungseingang keinen Analog-, sondern einen Digitalein­ gang 19 aufweist. Der Pol 11 und der Parallelwiderstand 10 liegen an einer Schal­ tung 20, die im wesentlichen einen Gleichrichter für die Wechselspannung und ei­ nen auf einen Schwellwert eingestellten Komparator enthält und die dem Digital­ eingang 19 vorgeschaltet ist. Der Widerstand 12 ist hier nicht unbedingt notwen­ dig. Der Bezugspunkt 24 der digitalen Auswerteschaltung ist dabei mit dem Pol N verbunden. Die Funktionsweise entspricht im wesentlichen dem oben Beschriebe­ nen.

Claims (8)

1. Überwachungsschaltung für die Steuerung eines Elektromotors, insbesonde­ re Wäschetrommelmotors, wobei eine Steuerelektronik, insbesondere ein Mikrocomputer, die Motordrehzahl über ein dem Motor am Versorgungs­ netz in Reihe geschalteten elektronischen Schaltelement, insbesondere Triac, regelt und die Istdrehzahl über ein Drehzahlüberwachungsglied auswertet, dadurch gekennzeichnet,
daß parallel zu Reihenschaltung des Motors (1) und eines Schalters (3, 18) ein Parallelwiderstand (10) gelegt ist,
daß der Parallelwiderstand (10) und das elektronische Schaltelement (2) am Versorgungsnetz (L, N) in Reihe liegen, und daß der am elektronischen Schaltelement (2) liegende Pol (11) des Parallelwiderstandes (10) über eine Auswerteschaltung (20, 23) an einen Überwachungseingang (13, 19) der Steuerelektronik (4) gelegt ist, daß die Auswerteschaltung im Stromfluß (20, 23) gleichzeitig parallel zum Schaltelement (2) liegt, und daß die Steuere­ lektronik (4) die drei unterschiedlichen am Pol (11) auftretenden Spannungs­ zustände zur Ermittlung von Fehlerzuständen auswertet.

2. Überwachungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Pol (11) und den Überwachungseingang (13) ein Wider­ stand (12) geschaltet ist, und daß am Überwachungseingang (13) der Abgriff eines Spannungsteilers (14, 15) liegt, der an Referenzspannungsquellen (21, 22) angeschlossen ist.

3. Überwachungsschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Parallelwiderstand (10) im Vergleich zum Innenwiderstand des Mo­ tors (1) hochohmig ist, und der Widerstand (12) etwa ebenso hochohmig ist wie der Parallelwiderstand (10) und die Widerstände (14, 15) des Spannungs­ teilers niederohmiger als der Parallelwiderstand (10), jedoch hochohmiger als der Motor (1) sind.

4. Überwachungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Überwachungseingang ein Digitaleingang (19) des Mikrocomputers (4) ist, dem eine im wesentlichen aus Gleichrichter und Komparator beste­ hende Schaltung vorgeschaltet ist, an der der Pol (11) liegt.

5. Überwachungsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (3) ein von der Steuerelektronik (4) steuerbarer elektrome­ chanischer Schalter ist.

6. Überwachungsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter ein die Motortemperatur erfassender Übertemperaturschal­ ter (18) ist, der bei Übertemperatur des Motors (1) öffnet und bei nach Übertemperatur abfallender Temperatur schließt.

7. Überwachungsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektronik (4) bei einem fehlerbedingten Kurzschluß des elek­ tronischen Schaltelements (2) den Schalter (3) nicht schließt, wenn er geöff­ net ist, oder öffnet, wenn er geschlossen ist.

8. Überwachungsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektronik (4) das elektronische Schaltelement (2) nicht weiter ansteuert oder den Schalter (3) öffnet, wenn sie mittels einer Drehzahlerfas­ sung (7, 8) an einem Eingang (9) trotz angesteuertem elektronischen Schalte­ lement (2) kein Drehzahlsignal erhält.